农用无人机应用现状与发展前景分析

河北省秦皇岛市农机化技术推广站 郑丹彤

农用无人机是指运用在农业生产环节上的利用无线电遥控设备和自备的控制装置操控的机械设备，设备上无驾驶位，安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备，目前最常见的是农用无人驾驶飞机、遥控作业平台等装备，本文重点介绍无人驾驶飞机。具有机动灵活、操作简单、智能化程度高、用途广泛等优点，近些年来随着智能化农机装备的快速发展，农用无人机也广泛地运用到了农业生产中。

首先，无人驾驶飞机一般分为固定翼式飞机、直升机、多轴飞行器三种，多轴飞行器（一般四轴或者六轴居多）较其他飞行器来讲具有结构简单、飞行稳定、操控难度低、智能化程度高、价格亲民的优势特点，因此农用无人机大多为多轴飞行器，多用来进行喷洒作业。最近几年，我国将农业与信息化确定为重点领域，航空植保在国内取得了突破进展，并表现出巨大的发展和应用前景，截至2019年，我国生产的各类植保无人机就已经达到了170多个品种，市场保有量约5.5万架，至今，市场保有量已超10万架。但总体来讲，我国农林植保无人机的渗透率在2020年还不足5%，与此同时，日本的农林植保无人机渗透率达到了53%，美国则达到了63%。日本已经有了20多年的无人机使用经验，每年无人机的更新量约为3000架；
而我国有着20亿亩的耕地面积如果达到日本的植保无人机使用率，则年更新量达到30000架，因此，我国农用无人机未来的市场需求将无法估量。

农用无人机在农业生产中的应用多为植保喷药、撒肥、撒播等作业，借助无人机螺旋桨的风力，药液的喷洒效果更好。需要注意的是，我国作为农业生产大国，也是农药使用大国，据统计，我国农作物农药使用量为10.3公斤/公顷，而日本为3.72公斤/公顷，法国为3.69公斤/公顷，英国为3公斤/公顷，美国仅为2.2公斤/公顷，远高于世界平均水平，以至于我国每年农药中毒人数就有10万之众，约有20%的致死率，且农药残留和污染造成的影响尚无官方统计。应用植保无人机，由于其携药量小且效率高一是可以大幅降低农药的使用量，减少农药对环境的污染；
二是可以有效做到人药分离，保护施药人员的安全，这也是农用无人机最大的优势。

2.1 大宗粮食作物的应用

目前，大宗粮食作物的无人机应用率最高，尤其是小麦、水稻等作物。由于小麦、水稻植保时植株较为矮小，因此药液在无人机螺旋桨风力的作用下，渗透率较高，可有效满足农艺要求。再加上无人机可在程序上自动生成路径，在电池保供充分的情况下，每天的施药面积可达千亩左右。

2.2 林果类的应用

飞机植保在大面积园林植保应用较早，起先多为载人直升机或者固定翼飞机进行植保作业，携药量较大，运用弥雾机产生大量药剂雾滴，可较好地吸附在树木上，其关键点在于携药量大、效率高、雾化效果好；
然而植保无人机最大的缺陷之一就是携药量有限，因此对于形态较大、枝繁叶茂的植株的药液喷施效果较差，适合于植株较小、形态简单的苗圃或者矮砧密植型果园使用。实际上，遥控式陆地行走的作业平台（也可归为无人机的一种）携带喷药装置携药量大、且喷洒范围广更适合林果类的植保作业。

2.3 其他经济作物

植株矮小、种植面积广的经济作物也可使用植保无人机进行植保作业，例如棉花、花生、大豆等，同经济作物一样，利用螺旋桨产生的巨大风力可将药液均匀的喷洒到植株上，满足其农艺要求，而且效率极高。

2.4 其他应用

部分无人机还可加装圆盘撒肥机，加装圆盘撒肥机后可进行大田的施加颗粒肥工作、大田种子撒播工作以及在渔业养殖中撒播饲料，具有效率高、撒播均匀的优点。

随着国家把农业与信息化确定为重点领域，航空植保在国内取得了突破进展，并表现出巨大的发展和应用前景，科技与农业的结合早已成为目前农业发展的主流。我国植保机产业已经起步，但是目前业内并无明确的行业标准，包括无人机自身技术、性能标准和植保标准，因此农用无人机面临着的问题不容小视。

3.1 行业门槛较低，市场鱼龙混杂

目前，据相关数据查询，截至目前（2022年数据），我国无人机相关企业有4.8万余家，其中仅2021年就新增注册企业3100余家，其中广东、山东、安徽三省数量最多分别拥有10000余家、3300余家、3200余家。从注册资本来看，22.3%的相关企业注册资本在100万元以内，只有22.9%的企业注册资本超1000万元；
从成立时间来看，近7成的企业成立时间不超过5年；
从市场表现来看，2018年全国有记录的共销售无人机2900台，2019年6000台，2020年10300台，2021～2022植保无人机市场整体规模依然将保持50%～60%以上增速，保有量在2021年达到了20万台，市场上销量领先的主要是大疆、极飞等龙头企业。单纯从数据上来看我国植保无人机的发展“风光无限”，但这背后隐藏着极大的隐患。上文提到，我国农用植保无人机行业对于无人机的技术、性能以及研发实力等方面没有明确的行业标准，再加上目前较大的市场需求以及配件市场，大大降低了农用无人植保机的制造门槛；
部分企业没有足够的设计研发实力，只是简单地将市场上的各个零件组装到一起在整机市场上“鱼目混珠”，这就造成了极大的安全隐患。例如，早在2018年，月产量高达500多架行业内一家较大规模的广州无人机企业，生产的无人机屡遭投诉，据相关用户反应，用户花140多万元购买的该品牌无人机时常出现“炸机”、失控的情况，根本飞不起来，最终企业负债2亿元，放弃经营。因此上面提到的4.8万余家相关企业有多少“鱼目混珠”的企业就不得而知了。

3.2 无人机飞行控制系统还需努力

飞行控制系统是农用植保无人机的核心技术。与专业的无人机操作员或飞行员不同，农用植保无人机的操作员俗称“飞手”通常没有经过完整且严格的飞行训练，大多是简单培训上岗，因此农用植保无人机在工作过程中所面临的大多数问题需要飞行控制系统来处理或者辅助飞手处理，例如遇到不稳定气流时无人机需要自行保持飞行稳定，前方有障碍物时需要无人机自主避障，能源不足时能够及时自动返航，飞行高度过低或者过高时可以自主调整等。再者，微小的农用植保无人机在低空飞行时将遇到由于农田作物冠层结构造成的复杂低效，这对气压高度计将造成较大影响，再加上部分农田环境较为复杂，有树木、机井房、电线杆、电线、高压线塔等障碍物，或者是在丘陵山地地区的农田环境则更为复杂，这对无人机的安全飞行造成了极大的影响，目前仍缺乏适合海拔不同、地理位置不同、作物种类不同的复杂农田环境下作业的高稳定、高科小型的自主飞行系统来适应田间的超视距、超低空、随时起降等特殊要求。

3.3 缺乏高效轻量化的关键部件

目前，农用植保无人机的两项关键性指标是有效任务载荷以及续航时间，这直接关系到无人机的作业效率。虽然，市场上存在油动植保无人机，但是由于购置成本高、发动机损耗大、故障率高且噪声大、污染高，性价比远远不如电力驱动的无人机，因此市场上大多数农用植保无人机靠电力驱动，续航时间多为5到20分钟，有效载荷多在30kg～40kg之间。例如，大疆T40无人机具其宣称含电池自重50kg，最大喷洒起飞重量90kg，最大播撒起飞重量101kg，空载悬停时间可达18min，喷洒满载悬停时间为7min，播撒满载悬停时间为6min；
极飞P100自重48kg，空载悬停时间为17min，满载88kg悬停时间为7min。轻量化机身设计以及高能量密度的电池将大大延长续航时间，提高无人机的作业效率，因此，高密度轻量化电池以及轻量化的机身结构部件，高效且安全的充电方式依然是研发重点。

3.4 农业植保无人机专用药剂不足

农业植保无人机喷施药剂与传统喷施药剂的方式有着很大不同，农业植保无人机由于携药量小，目前有效载荷最大不过40L，因此喷施的药剂多为微量高浓度的药剂，而常规的农药对于稀释倍数以及相应稀释倍数的药液表面张力、黏度、农药有效成分含量、剂型有着严格的评价标准，一般需要兑水稀释几百倍或者上千倍，每亩需要喷施15～30kg的药液；
而无人机喷施药液的用水量仅为500ml～1000ml每亩，约为传统用量的1/30。如果以高浓度微量的方式来喷洒一是很容易对作物产业药害；
二是难以对整个植株全面覆盖。而且需要注意的是，我国农药毒性有5个评判标准，即1～50mg/kg为剧毒、51～100mg/kg为高毒、101～500mg/kg为中等毒、501～5000mg/kg为低毒、5000mg/kg以上为微毒，我国的农药使用相关规定指出，剧毒和高毒农药不能使用在蔬菜、水果、插页、菌类、中药材的生产，也不能用于水生植物的病虫害防治。目前来讲，现有的植保无人机作业所使用的药剂大多是凭借着经验或者参考常规喷雾确定剂量以及配比，常有因为用量或者配比不科学对作业质量造成较大的影响，对环境也造成了巨大的损害，因此，研发植保无人机专用的微量高浓度药剂也是迫在眉睫的任务。

3.5 缺乏作业技术标准

我国航空植保作业起步较晚，且一开始多是采用有人驾驶的固定翼飞机进行植保作业，多轴旋翼植保无人机发展较快但缺乏相关技术参数深入系统的研究，尚未形成一套科学完善的平板标准以及对不同作物、不同喷施剂型进行航空喷施的作业时机、作业环境（包括温度、湿度、风速等方面）、飞行高度、飞行速度、航线规划、导航控制等参数的优化选择，以及可以满足农药植保农艺要求的药液沉积量、雾滴大小、雾滴沉积分布密度、药剂浓度等作业指标。用户在使用过程中大多凭借经验，而植保无人机生产企业大多只提供模糊的极限环境的数值参考，因此，制定一套科学、完整且全面可实施的农业航空植保作业准则及判定标准同样迫在眉睫。

上文提到，我国目前农用植保无人机的市场保有量已超过20万架，但作业渗透率远不及日本、美国，因此我国农用植保无人机的发展尚大有可为。农用植保无人机行业的进一步发展除上述问题需要面对外，笔者还有以下建议。

4.1 建立科学、完整、标准统一的飞行员认证制度

农用无人机属于高技术含量的精密设备，如果操作不当或者设备在作业时发生故障极具危险性。根据《民用无人机驾驶员管理规定》，植保无人机属于分类中的第五类民用无人机机型，单人操作植保无人机系统并负责无人机系统运行和安全的驾驶员应当持有按本规定颁发的具备V分类等级的驾驶员执照，或经农业农村部等部门规定的由符合资质要求的植保无人机生产企业自主负责的植保无人机操作人员培训考核。目前来讲，大多数飞手都是经植保无人机生产企业自主负责的植保无人机操作人员培训考核，例如大疆UTC证书。其培训考核缺少足够的监管，其质量难以得到保证，所以应当加强监管，建立一套科学、完整、标准统一的飞行员认证制度至关必要。

4.2 加快土地流转，完善基础设施建设

行业已经认识到，现代化农业应当建立在规模化经营的基础上，高效农业机械化的应用也必须建立在规模化的基础上，而且农用植保无人机属于智慧农机的范畴，也是基于现代信息技术、物联网技术发展的成果，对于现代化信息基础、网络信号、GPS信号等要求较高。2021年，全国行政村通光纤、通4G网络比例超过了98%，4G基站数量达到了590万个，在人群相对集中的郊区基本实现了全覆盖，但在幅员辽阔的偏远地区受薄弱的经济基础以及特殊的地质地貌的影响，再加上村落众多、人口居住分散，建设和运营维护成本太高，信号覆盖较弱。而农业生产多在该区域，例如新疆、东北、内蒙古等地区。例如，2021年东北许多用户反应，购买的某品牌P80机型无人机经常出现石昊时有时无的现象，后来更是频繁“炸机”，后期据调查原因显示，导致大规模无人机事故的原因有三点：一是芯片短缺使得无人机的交付周期比往年要长，没有充裕的时间对经销商和用户进行培训，导致因操作维修不当引起的故障比例大幅度增加。二是无人机的起飞和降落地点必须有稳定的手机网络信号，但是黑龙江地区地区辽阔、地块面积大，田地里手机网络信号较弱，会出现连不上、延时等问题。三是零件的供应链短缺，售后服务网点能力不足，导致一些故障设备大量积压，维修周期长。因此，加强基站的建设以及增加售后服务网点也是发展农用植保无人机的重要抓手。